고화소·고감도 오가는 갤럭시 S20 울트라 카메라의 비결

[IT동아 강형석 기자] 삼성 갤럭시 S20 시리즈의 가장 큰 변화는 카메라에 있다 해도 과언이 아니다. 특히 갤럭시 S20 울트라에는 1억 800만 화소와 100배 디지털 줌 등이 탑재되는 등 변화가 두드러진다. 이는 이미지 센서의 변화에 있다. 기존에 쓰이던 것과 달리 면적이 넓어졌고 화질 저하를 막는 기술이 대거 쓰였다. 여전히 작지만 결국에는 성능 향상을 위해 덩치를 키울 수 밖에 없었던 셈이다.

갤럭시 S20 울트라에 탑재된 이미지 센서는 삼성전자가 최근 개발한 '아이소셀 브라이트 HM1'에 기반한다. 1/1.33인치 면적에 1억 800만 화소를 담았다. 단순 해상도를 보면 가로 1만 2,000 화소, 세로 9,000 화소에 달한다. 현재 35mm 필름 포맷 중 가장 많은 화소를 제공하는 것이 소니 알파7R 마크4로 6,100만 화소(가로 9,504 화소 x 세로 6,336 화소)인 것에 비해 4,700만이 많은 수치다.

일반적인 이미지 센서는 빨간색과 파란색, 녹색 등으로 구성된 화소를 모자이크 형태로 배열한 베이어(Bayer) 패턴 형식을 따른다. 일부 예외(포베온)도 있지만 대부분 이미지 센서는 베이어 형식으로 설계된다. 일반적으로 RG/GB 화소가 하나로 묶여 정보를 처리하게 된다. 그러나 사실 모든 화점은 밝기만 감지하는 흑백 화소로 실제 화점은 흑백 화소 위에 색을 감지하는 필터를 얹은 것이다.

삼성전자는 이 화소를 총 1억 800만 개를 집적했다. 화소의 크기는 0.8마이크로미터로 환산하면0.0008mm다. 이를 가지고 단순 계산하면 가로 9.6mm, 세로 7.2mm에 달하는 센서가 탄생하게 된다. 1인치 센서가 가로 12.8mm, 세로 9.6mm 정도니까 크기를 어느 정도 가늠할 수 있다.

작지만 이 센서가 주·야간 가리지 않고 효과적인 촬영이 가능하도록 지원하는 이유는 '노나셀(Nonacell)' 기술 때문이다. 여기에서 노나는 9를 의미하는데 센서 내에서 9개의 화소를 하나로 묶어 빛을 더 많이 받는 것이 핵심이다. 수광 면적이 넓어질수록 정보 처리에 유리하다. 이를 통해 갤럭시 S20 울트라는 상황에 따라 1억 800만 화소 고해상도 결과물 혹은 1,200만 화소 고감도 결과물을 얻을 수 있게 됐다.

여기에서 작은 의문이 생긴다. 일반적인 베이어 패턴 방식의 센서 아래에서는 어떤 방법으로든 주변의 화소 정보를 묶어 9개의 센서를 만들 수 없다. 컬러필터 자체는 변경 불가능한 물리적 요소이기 때문. 그렇다면 아이소셀 브라이트 HM1 센서는 어떻게 1억 800만 화소와 1,200만 화소 고감도 결과물을 기록할 수 있게 되었을까?

이는 삼성전자가 공개한 일부 정보에서 찾을 수 있다. 삼성전자 뉴스룸 내 정보에 따르면 새로운 이미지 센서는 화소 재정렬(리모자이크)과 9화소 묶음처리(노나비닝)를 전환함으로써 고화질을 실현했다고 언급한다. 두 방식의 고화질은 서로 다른 의미로 접근하는 것이지만 각자의 환경에서 최적의 화질을 제공하기 위한 방식이다.

여기에서 보면 아이소셀 브라이트 HM1 센서는 처음부터 노나셀 형태로 배치되어 있는 것으로 예상된다. RG/GB 화소가 각각 9개씩 짝지어 배치된 것. 저조도 환경에 빛을 많이 받아야 한다면 그대로 뭉쳐지면서 감도를 높이고, 반대로 광량이 충분해 고해상도 이미지를 기록해야 되는 상황에서는 각각의 정보를 재배치해 1억 800만 화소로 전환하게 되는 식이다.

작은 센서를 효과적으로 사용하기 위해서 선택한 이 구조는 분명한 이점이 있다. 하나는 용량은 크지만 고해상도 기록이 가능하고 다른 하나는 해상도는 낮지만 야간에서도 최적의 화질을 기록한다. 양쪽 모두 만족 가능한 기록물을 제공한다는 부분이 장점이다.

문제는 9화소 묶음 처리가 아니라 화소 재정렬 과정에서 발생하게 된다. 감도를 높여 1,200만 화소 이미지를 기록하는 것은 상대적으로 난이도가 낮다. 반면, 뭉쳐있는 9개 화소가 재배치되면서 고해상도 이미지로 만들어지려면 높은 처리 속도와 정교한 화소 배열 알고리즘이 필요하다. 삼성전자가 이 문제를 얼마나 잘 풀어 놓았을까? 갤럭시 S20 울트라의 출시가 점점 다가오고 있다.

글 / IT동아 강형석 (redbk@itdonga.com)